变压器油中溶解气在线监测综述解读.docx

1、变压器油中溶解气在线监测综述解读变压器油中溶解气体在线监测综述（长沙理工大学 化学与生物工程学院 应用化学专业）摘 要 变压器油中溶解气体的分析是获取变压器运行状态信息的重要手段之一。本文综述了国内外变压器油中溶解气体在线监测技术的现状，提出了目前存在的问题及今后的发展趋势。关键词 电力变压器 变压器油 溶解气体分析 在线监测 发展趋势电力变压器在电力系统中属于最重要和最昂贵的设备之列，同时也是导致电力系统事故最多的设备之一。其运行状态的好坏直接关系着电力系统的安全，稳定运行，因而如何及时，准确地检测出电力变压器的早期潜伏性故障就显得十分重要。为确保变压器的安全运行，许多国家研究了多种技术来监

2、测和诊断变压器故障。其中变压器油中溶解气离线色谱分析法因其能够在变压器运行过程中进行，不受外界电场和磁场的影响，而且可以发现设备中一些用局部放电法所不能发现的缺陷(如局部性过热等，故得到了广泛认可。但近几年，因离线监测试验环节较多，操作手续较繁，检测周期较长，而且难以发现类似匝间绝缘缺陷等故障。因而国内外都已致力于在线色谱监测装置的研制，以实现连续监测，及时发现故障。下面从在线监测方法类别及其典型的监测仪器作介绍。一、研究现状1、在线监测技术方法类别在线监测技术主要根据脱气原理不同，检测的气体不同可分为两类，单组份气体在线检测技术和多组分气体在线检测技术。1.1单组份气体在线检测技术最主要的特

3、征是在线监测变压器油中如:H2、C2H2、微水等某一特征气体组分含量或以它为主的混合气体浓度，不进行气体组分分离而直接测量气体体积分数。又可细分为：(1测量可燃性气体总量可燃性气体总量指H2、CO和各种气态烃类含量的总和。这类装置以日本三菱电力公司TCG检测装置为代表，只给出可燃性气体的总量，不能给出某一组分的单独含量。大连地区220kV及以上变压器安装的加拿大HYDRAN 201i早期故障在线装置，监测4种主要故障气体（H2、CO、C2H4、C2H2）的总和，当气体数值偏离基线值，设备提示不同程度的报警，从而采取适当维护措施，这一点正符合状态维修的原则。(2测量单一H2组分当设备内部存在局部

4、过热或局部放电时，所产生的分解气体大多都含有氢气，它是电力变压器内部气体各组成中最早发生变化的气体。目前国内现场已安装的此类装置以加拿大SYPROTEC公司的HYDRAN产品为主，通过燃料电池传感器采集信号输出。这种仪器结构简单，适合在现场作故障的初步诊断，需进一步作色谱分析才能确定故障。 1.2 多组分气体在线检测技术最主要的特征是先对电力变压器油中溶解气体进行油气分离，再对利于诊断电力变压器故障的多种气体进行组分分离和检测。国外美国AVO公司的TrueGas变压器油中气体在线监测设备可监测多达八种气体，是目前检测气体种类较多的装置。澳大利亚的DRMCC变压器在线监测系统可持续、在线、多方位

5、监测变压器的工作状态，主要监测对象包括溶解在油中的氢气、水、绕组温度、调压抽头位置等参数。国内研制的同类产品有宁波理工监测设备有限公司推出的TRANB型变压器故障在线监测设备，重庆大学研制的在线变压器故障预测系统能够在线监测油中H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等6种气体的浓度，并采用灰色聚类、糊模式多层聚类、核可能性聚类等多种算法预测油中溶解气体在未来时刻的浓度并诊断变压器在未来时刻的绝缘状况。这一类仪器相当于在现场建立了色谱工作站，但原理和流程由于现场的特定条件同试验室的色谱试验存在一定差别。2、变压器油中溶解气在线监测的关键技术2.1 变压器油中溶解气在线监测的基本原理变压

6、器油中溶解气体在线监测装置的原理如图1所示。变压器本体油经循环进入脱气装置，经过油气分离装置分离出油中的溶解气体，分离后的油流回变压器油箱或者被收集到废油箱内。油气分离后，根据气体检测单元的需要进行气体分离，处理后的气体由检测器检测并转换为与气体浓度成正比的电信号，经模数转换后将气体的组分与浓度信息存储在控制主机的存储器内，供就地分析或远程调用。这其中的关键技术就是油气分离及气体检测。2.2 现场油气分离技术变压器油中溶解气体在线监测装置常用的油气分离技术是薄膜渗透法、抽真空取气法和顶空分离法。(1薄膜渗透法该方法利用某些高分子薄膜（如聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚六氟乙烯、氟硅橡胶等）的透气性，让

7、油中所溶解的气体经薄膜透析到气室里，当渗透时间相当长后，透析到气室的气体浓度将达到动态平衡，分析气相组分的含量，根据道尔顿亨利定律就可计算出油中气体的浓度。此方法比固定型色谱仪的脱气方法简单，但要注意塑料薄膜与变压器油长期接触后的老化问题，特别是安装在变压器油箱底部的半透性薄膜，它还要长期地承受很大的油压，因此要求高分子薄膜必须要具有一定的机械强度以及耐油、耐高温的特性。国外有的在薄膜外侧覆盖以打有细孔的约0.5mm厚的金属层予以补强。 上海交通大学肖登明等研制了带微孔的聚四氟乙烯膜，大大提高膜对特征气体的渗透性能。采用聚四氟乙烯高分子薄膜一般的透气平衡时间为72h，若采用带微孔的高分子薄膜平

8、衡时间可提高到24h。加拿大Morgan Schaffer公司研制的GPl00采用了聚四氟乙烯尼龙管束，尼龙管束由聚四氟乙烯多层缠绕尼龙管束褶皱，很小面积内油接触面积大大增加，使透气性能大大改善。(2抽真空取气法根据产生真空的方式不同，抽真空取气又可以分为两种形式：波纹管法和真空泵法。前者使用利用小型电机带动波纹管反复压缩，多次抽真空，将油中溶解气体抽出来。后者使用真空泵抽真空来抽取油中溶解气体，废油仍回到变压器油箱。上海思源电气股份有限公司的TROM-600变压器油色谱在线监测系统就是采用了真空泵法。另外还有真空鼓泡式分离技术，其基本做法是在恒温状态下，将油气分离装置抽为真空，然后将油样导入

9、脱气装置，从油中析出气体在气泵的作用下对油样进行鼓泡，待液相油中气体浓度与气相浓度达到溶解平衡时，停止鼓泡。该方法的优点是脱气率高、重复性好，不污染变压器油，油气分离速度快，可实现连续脱气。(3顶空分离法根据顶空的方式不同，又可分为静态顶空式和动态顶空式。静态顶空式主要原理是利用波纹管的不断往复运动，将变压器油中的气体快速的脱出，具有效率高、莺复性好的优点。并且采用循环取油方式，油样具有代表性。但由于顶空方式的油样与气样之间没有隔离，脱出的气样中会含有少量的油蒸汽，从而造成对色谱柱的污染，降低色谱柱的使用寿命。且波纹管的寿命有限，同时由于波纹管的磨损，对变压器油存在一定程度的污染。动态顶空式主

10、要原理是以载气在色谱柱之前往油中通气，将油中溶解气体置换出来，送入检测器检测，根据油中各组分气体的排出率调整气体的响应系数来定量。这种方式脱气速度较快，但由于要不断通入载气，不能使用循环油样，以免载气进入变压器本体油箱，因此油样代表性差。另外，在脱气完毕后，必须把油样放掉，这样每次检测必然消耗少量的变压器油。2.3 混合油气分离和检测技术混合气体的分离和检测主要有单组分气体检测和多组分气体的分离和检测。单组分气体的检测主要是对氢气和可燃总烃进行的检测，利用渗透膜进行油气分离，常用的氢气检测器主要有钯栅极场效应管、催化燃烧型传感器和燃料电池。多组分气体检测器主要有热导检测器、阵列式气敏传感器法、

11、半导体气敏传感器、红外光谱技术和光谱声谱技术。2.3.1单组份气体的检测(1钯栅场效应管检测器钯栅场效应管利用钯栅场效应管作为传感器的仪器，首先是由北京供电局等七省市有关部门联合研制，北京电子管厂生产的BGY型变压器氢气在线监测仪。钯栅场效应管对氢具有独特的选择性，基本不受其它气体组分的干扰。但实际运行发现，这种把栅场效应管存在严重缺点：一是寿命不够长，一般为一年多；二是零漂严重，要经常调整，而且多次出现误报警。(2 催化燃烧型检测器催化燃烧型传感器的基本原理是在一根铂丝上涂上燃烧型催化剂，在另一根铂丝上涂上惰性气体层，组成阻值相等的一对元件，由这一对元件和加外两个固定电阻组成桥式检测回路。在

12、一定的桥流(温度下，当它与可燃气体接触时，一个铂丝发生无烟燃烧反应，发热，其阻值发生变化，另一铂丝不燃烧，阻值不变，使原来平衡的电桥失去平衡，输出一个电信号，该信号与可燃气体浓度成线性关系。中国电力科学研究院利用这种传感器研制了变压器油中溶解氢气在线监测仪。它的特点是：选择性好、反应准确、稳定性好、能够定量检测、不易产生误报、控制可靠、寿命三年左右。(3 燃料电池型传感器燃料电池是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的一种发电装置。这种传感器己批量生产了携带式103B型和在线式ZOIR型两种类型的氢气检测仪，加拿大Syprotec公司生产的HYDRAN H201R201i电力变压器

13、早期故障在线监测装置，是一种将变压器油中的溶解气体经可选择性的渗透膜一聚四氟乙烯膜进入燃料电池型传感器内，并在传感器内将油中析出的H2、CO、C2H2、C2H4等气体与空气中的O2进行化学反应，从而产生一个与反应量成比例的电信号，能够实时在线测量气体浓度变化数值的装置。主要监测油中小分子气体氢气及少量一氧化碳、乙炔、微量乙烯等气体的综合体积分数及其时、日变化趋势，以判断变压器的运行状态。2.3.2 多组分气体的分离和检测技术气体组分的检测主要由气敏传感器和检测室组成。目前用于变压器故障特征气体组分检测的传感器主要有热导检测器(TCD、阵列式气敏传感器法、半导体气敏传感器、红外光谱技术和光谱声谱

14、技术。(1 热导检测器(TCDTCD的原理是基于不同物质具有不同的热导系数，通过发热电阻丝时热量（每小时的发热量）损失的比率，即可用来量度气体的组分和质量。TCD最大的不足就是检出限不够，根据GBT72522001变压器油中溶解气体分析和判断导则对乙炔的最低检出限为0.1 X10-6，即使采用高纯的氦气做载气，TCD也达不到这个要求。因此通常的做法是对故障气体采用了富集技术。河南中分的中分3000系统采用N2作载气，样品组分经过载气的反复萃取，被浓缩在捕集器中，浓缩到一定的程度再进行分析。(2阵列式气敏传感器法(电子鼻法该方法基于多传感器信息融合技术，利用气体传感复杂的交叉敏感特性，有选择地将

15、数个气体传感器组合在一起形成传感器阵列，结合模式识别技术如:BP 神经网络、灰色理论等，形成气体辨识系统，即电子嗅觉系统(又称“电子鼻”。该方法一般运用于环保、化工、家用报警、食品保鲜及航空航天等领域，当它用来实现要求精确定性和定量分析的电力变压器油中气体在线监测时，须先解决好气体的测量灵敏度、准确度和数据重复性等问题。(3半导体气敏传感器半导体传感器又称为阻性传感器或金属氧化物传感器，是研究开发较早的一种传感器，普遍用于可燃气报警。半导体气敏传感器中的金属氧化物最具代表性的是SnO2，SnO2载流子是电子，遇到还原性气体(包括H2、CO、CH4、C2H6、C2H4，C2H2等可燃性气体时，由

16、于还原性气体容易给出电子，使得半导体中电子数目增大，载流子增加，电阻降低；当它遇到氧化性气体(如O2时，由于氧化性气体容易夺取电子，使得N型半导体中电子数目减少，载流子减少，电阻增大。宁波理工在线监测MGA2000系统、上海思源电气股份有限公司的TROM600系统和重庆海吉科技有限公司HGDZJ型变压器油监测系统均采用了这类传感器。这类传感器的主要特点为需要在氧化氛围里工作，否则其恢复时间要达到30 s以上，使各峰出现严重拖尾现象。使用空气做载气可以解决这个问题，但这样对组分分离有一定影响。(4傅里叶红外光谱技术傅里叶红外光谱技术的原理图如图l所示。待测气体池置于迈克尔逊干涉光路中，动镜移动时

17、探测器上将得到强度不断变化的干涉波，该干涉波包含有全部光谱的信息。对探测器测得的干涉强度进行傅里叶变换，可以得到各频率对应的光强。将样品干涉图和背景干涉图分别进行傅里叶变换并进行除法运算，可以得到样品透射光谱；将样品透射光谱经过对数运算得到样品吸收光谱。根据吸收光谱可判断气体成分和含量。加拿大Syprotec公司的TNU在线监测装置使用了傅里叶红外光谱技术检测特征气体，可以检测出C2H2、C2H4、CH4、C2H6、CO、CO2和H2O 7种气体，其中对C2H2、C2H4、CH4、C2H6 4种气体的检测限分别为1 X 10-6、310-6、l10-6、2010-6。但是氢气不具有红外特性，T

18、NU中使用HYDRAN传感器对其进行检测。(5光谱声谱技术光声光谱是基于光声效应的一种光谱技术，其原理图如图2所示。气体分子吸收特定波长的入射光后由基态跃迁至激发态，一部分处于激发态的分子与处于基态的分子相碰撞，吸收的光能通过无辐射弛豫过程转变为碰撞分子之间的平移动能(即气体的VT传能过程，它表现为气体温度的升高。在气体体积一定的条件下，温度升高，气体压力会增大。如果对光源进行频率调制，气体温度便会呈现出与调制频率相同的周期性变化，进而导致压强周期性变化，微音器感应这一变化并将其转变为电信号，供外电路检测分析。气体VT传能过程所需时间，取决于气体各组分的物理化学特性。一般情况下，处于激发态的气

19、体分子的振动动能经无辐射弛豫转变为碰撞分子之间的平动动能的时间非常短暂，远低于光的调制周期，因此可近似认为VT传能过程是瞬时完成的。此时，光声信号的相位与光的调制相位相同，而光声信号的强度与气体的体积分数及光的强度成正比。光的强度一定时，根据光声信号强度就可以定量分析出气体的体积分数。目前英国Kelman公司推出了基于光声光谱的在线和便携式监测装置。TRANSFIX在线监测装置可以检测H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H6、C2H4、H2O、O2、N2。其中C2H2、C2H4、C2H6的可测范围分别为0.550000、250 00010-6、250 000。3、典型的在线监测仪3.1

20、国内成果(1MGA2000系统宁波理工监测科技股份有限公司的MGA2000系统中气体组分分离装置采用复合色谱柱，PID双回路恒温控制，气体经色谱柱分离后进入半导体传感器进行检测，能检测出H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6 6种特征气体，采用24位A/D转换器对检测器信号进行采集。其中MGA2000-7H色谱在线监测系统是宁波理工的第三代在线监测系统，采用纳米晶半导体材料添加稀有金属，广谱型纳米晶半导体气体检测器，由于纳米晶材料具有松散的颗粒结构，利于气体的迅速扩散，从而提高了响应速度和检测灵敏度。(2中分3000在线监测仪河南中分的中分3000色谱在线监测系统，采用色谱分析原理，

21、应用动态顶空(吹扫一捕集脱气技术和高灵敏度微桥式(TCD检测器，实现对变压器油中H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6、CO2 7种组分检测。支持无线和有线两种通信方式，无线通信采用GPRS无线通信技术。(3TROM600在线监测仪上海思源电气股份有限公司的TROM-600变压器油色谱在线监测系统，采用复式循环泵进行变压器油取样。采用真空脱气，可在15 min中将油中95以上的气体分离出来。采用复合固定相色谱柱进行气体组分的分离，分离后的气体用气敏传感器进行检测。(4HG-DZJ在线监测系统重庆海吉科技有限公司依托重庆大学高电压与电工新技术国家级重点实验室的技术实力，研制了HGDZJ

22、型变压器油监测系统。该系统油气分离由自行设计的四氟乙烯一六氟乙烯混合膜(F46膜进行渗透分离，H2、CO、CH4、C2H4、C2H2和C2H6 6种气体经F46膜渗透过后，没有经过色谱柱，而是直接进入了MQ系列传感器，MQ系列传感器是利用2种金属粉末按一定的重量比例混合均匀，在9001100熔化，调制成浆料，高温均匀地涂抹在传感器的绝缘基片上。不同的配比对气体的灵敏度响应不同，用不同的传感器对同一气体进行检测，由于传感器对气体存在交叉敏感，采用了信息融合技术对6种气体进行定量分析。(5BSZ系列大型变压器油色谱在线监测装置BSZ系列大型变压器油色谱在线监测装置是由东北电力试验研究院和本溪供电局

23、联合研制的。它由油样引入系统、检测部分和在线遥控器3部分组成。采用自动全脱气进样、色谱仪分析、定期向遥控显示器发送检测结果。检测的气体是甲烷、乙炔、乙烯、乙烷。BSZ一1型装置于1993年3月研制成功，在试运行期间，装置获得了良好的效果。随后又相继推出了BSZ一2、BSZ一3型，并不断的提高改善监测的稳定性、抗干扰能力、报警功能、油循环系统、工艺水平等。(6TRAN变压器早期故障监测仪TRAN型变压器早期故障监测仪系北京电子管厂生产，其前身为BGYl型变压器在线监测装置。BGYl型氢气监测仪，其性能不稳定，容量出现误报，需经常调整、标定、维护，显得麻烦。因此，虽然当时大力在各省推广，但后来基本

24、上全部退出使用。TRAN型监测仪在BGYl型装置的基础上，改单通道为双通道，增加了判别油中产气速率的功能，提高了装置的可靠性。TRAN仪器采用高分子薄膜透氢，以钯栅场效应管作为检测器，通过温度补偿来测量气室中气体浓度，从而换算出油中氢气浓度。如果超过警戒值，则发生声光报警。(7DDG1000氢气在线监测仪DDG1000变压器油中溶解氢气在线监测仪是中国电科院研制的产品。该装置采用特制的聚芳杂环高分子膜透氢和载体催化敏感元件作为检测器。该仪器结构简单，安装方便，能自动定时检测并显示测试结果，己在变电站和电厂投运6台，最小检测浓度可达lLL。3.2 国外成果(1Hydran 201i型在线监测仪加

25、拿大Syprotec公司研制的Hydran 201i型在线监测仪，是早期故障气体在线监测装置，该装置利用聚四氟乙烯薄膜的透气特性，用燃料电池型传感器作为检测器，主要监测油中小分子气体H2 及少量CO、C2H2、微量C2H4 等气体的综合体积分数及其时、日变化趋势，以判断电力变压器的运行状态。具有实时显示气体浓度及其变化率、故障报警、历史记录；周期性传感器测试、校验、设置和自检；远程软件升级等功能。采用RS485总线将现场监测获得的数据传输到本地监测诊断中心，也可通过可选的MODEM与远程计算机通讯。对不同气体组分的响应能力分别为：H2 为100%、CO 为18 士3%、C2H4 为1.5 士0

26、.5%、C2H2 为8 士2%，是一种以检测H2 为主，检测CO 为辅，对油中其它烃类气体几乎没有反应的在线检测装置，它在电力系统变压器在线监测中有着较重要的应用(2美国斯维隆(Serveron公司研制的TM8在线监测仪美国斯维隆(Serveron公司研制的TM8在线监测仪能检测变压器油中8种关键的故障气体：H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、O2。能通过8种故障气体、油中水分、油温、环境温度对变压器运行状态进行分析。支持IEEE和IEC诊断工具，能达到快速报警和对故障的演示进行分析。TM8在线监测仪采用高纯氦气作为载气，通过两根色谱柱porapak N和分子筛来分离气体

27、组分，分离出的气体组分进入热导池(TCD进行定量检测。(3Transfix变压器油中溶解气体及微水在线监测系统Transfix变压器油中溶解气体及微水在线监测系统是英国凯尔曼公司的产品。该产品突破性地采用了英国凯尔曼公司专利的光声光谱(PAS检测技术，采用稳定可靠的光声光谱检测模块，是新一代的油中溶解气体及微水在线监测装置，可提供油中八种溶解气体及水分含量，但其检测精度不高、高透过率的滤光片难以制造以及对油蒸汽污染敏感，环境适应能力较差。(4DRMCC变压器在线监测系统DRMCC变压器在线监测系统是澳大利亚wilson变压器公司推出的产品。该系统同时通过油色谱分析法、微水分析法和热比模式法来综

28、合判断变压器的绝缘状况。该系统已经在澳大利亚、美国和日本等发达国家相继使用，用户给予了相当高的评价。二、发展中的问题目前大多数在线监测系统，其需要净化空气、N2和氦气等做载气，载气的消耗通常在l年左右，这就需要维护人员定期更换载气；使用色谱柱作为气体组分的分离装置，随着固定相的流失等一系列原因，色谱柱的柱效会降低甚至失效，这时候就需要更换色谱柱；半导体气敏传感器和热导检测器(TCD在长期使用中，其性能会逐渐发生变化，需要定期校准或更换。采用傅里叶红外光谱和光声光谱技术的传感器都具有寿命长、稳定性好，从原理上讲不需要现场校准，不需要消耗载气并且不消耗所测气体等特点，但傅立叶红外光谱不能检测H2而

29、且光声光谱在检测灵敏度方面性能更优于采用傅里叶红外光谱，可以预期，基于光身光谱技术的在线监测装置有望成为理想的换代产品。三、以后的发展方向目前国内变压器故障油色谱在线监测设备普遍存在监测气体成分单一、故障判据过于简单化等缺陷。其监测软件系统往往功能简单，故障信息未采用网络化数据库保存而是以文件的形式存在，不利于数据信息的共享和保密。国外在线监测产品的分析软件往往都是非中文界面，存在操作过于繁琐、复杂等问题。目前国内外对电气设备油中气体在线监测和故障分析技术的研究主要呈现以下几种方向：（1）多种气体的在线监测。单种气体的在线监测只能反映油中溶解的单一气体的实时状况，故障判定片面，难以分析变压器的

30、具体故障类型；而多种气体的在线监测则不然，能够真实地反映油中各种溶解气体的实时状况变化，为诊断故障类型提供了强有力的保障。（2）故障诊断方法智能化。现有的特征气体法、三比值法和无编码比值法等故障诊断方法，虽在一定范围内具有较好的性能，但都太绝对化，既不能对故障进行定位分析，又不能够有效地处理不精确性、不完全性和不确定性信息。因此，近几年来，人们相继引人模糊数学引、神经网络、灰色理论和小波分析等数学方法，积极探索能够快速、准确判定具体的潜伏性故障的智能化诊断方法。（3）数据库大型化。数据库足存放历史数据的仓库，所保存数据种类及特征量越多、越全面，时间越长，则对分析机组的故障越有利。历史数据库应包

31、括定时采集动态数据、报警动态数据、异常动态数据、人工采集动态数据、工艺量、开关量、特征参数及其他测量数据。数据库的发展方向是大型、高速、实时。（4）通信方式便利化。在线监测的一项关键技术就是实现主控设备和远程终端设备的有效实时通信。随着计算机网络和无线通信技术的发展，使得通信方式有了更大的选择空间，通信的距离和准确都大大提高。参考文献1 张深波,刘晓峰,章连众等. 变压器油中溶解气体在线监测综述J. 化工时刊,2011(25:52-55.2 左新宇，付强. 变压器油中溶解气体在线监测方法及故障判断综述J. 广东电力,2011(24:10-14.3 陈茂辉. 浅谈电力变压器油中溶解气体在线监测技

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